Inpassing van windenergie in het elektriciteitsnet

Presentatie over: "Inpassing van windenergie in het elektriciteitsnet"— Transcript van de presentatie:

1 Inpassing van windenergie in het elektriciteitsnet
Cursus Windenergie Sessie 3 Katholieke Hogeschool Brugge – Oostende - 28 februari Joris Soens

2 Inpassing van windenergie in het elektriciteitsnet: inhoud
DEEL I: ELEKTROTECHNISCHE ASPECTEN VAN WINDENERGIE Verspreide generatie (“Distributed Generation”) = Ingebedde Generatie (“Embedded Generation”) Windenergie: basistypes windturbines DEEL II: WINDENERGIE: OPBRENGSTEN EN WAARDE Overheidssteun: groenestroomcertificaten in Vlaanderen Waarde van windenergie

3 ELEKTOTECHNNISCHE ASPECTEN VAN WINDENERGIE
DEEL I ELEKTOTECHNNISCHE ASPECTEN VAN WINDENERGIE

4 Verspreide generatie (“Distributed Generation”) =
Ingebedde Generatie (“Embedded Generation”)

5 Van ‘top-down supply’ naar ‘embedded generation’

6 Verspreide Generatie: Motivaties
Productie uit hernieuwbare energiebronnen en warmtekrachtkoppeling wordt sterk aangemoedigd overheidssteun meestal kleinschalige installaties (uitzonderingen: offshore windpark, STEG...) Belang van ononderbroken elektriciteitslevering (ziekenhuizen...) Liberalisering van de energiemarkt

7 Verspreide generatie: definities – eigenschappen
geen centrale planning geen centrale dispatching netgekoppeld op laag- of middenspanning (ca. 400V tot 36 kV) relatief laag vermogen (1 kW  10 MW) types: fotovoltaïsch wind biogas/stortgas WKK op fossiele of hernieuwbare brandstoffen

8 Invloed van DG op werking van het net
Netbelasting Netuitbating en netondersteuning Netveiligheid Power Quality & Communicatie

9 Invloed van DG op werking van het net
Netbelasting Lijnverliezen Thermische grenzen van geleiders en transformatoren

10 Lijnverliezen gelijkmatige belasting langs distributiekabel HS-post
stroom afstand tot HS-post

11 Lijnverliezen gelijkmatige belasting langs distributiekabel HS-post DG
stroom afstand tot HS-post

12 Lijnverliezen Lijnverliezen ongeveer kwadratisch evenredig met getransporteerd schijnbaar vermogen Theoretisch optimum voor 1 generator (bij gelijkmatige lijnbelasting): generator op 2/3 van de kabellengte, en generatorvermogen = 2/3 van de totale last aan distributiekabel Werkelijke lijnverliezen sterk afhankelijk van ogenblikkelijke lastverdeling

13 Thermische grenzen van geleiders en transformatoren
Op distributienet-niveau DG vermindert meestal thermische belasting van geleiders en transformatoren in normaal bedrijf Maar dimensionering van geleiders wordt bepaald door extreme scenario’s: volle belasting en lage productie van DG lage belasting en hoge productie van DG

14 Thermische grenzen van geleiders en transformatoren
Op transmissienet-niveau Gevalstudie: Offshore Wind in de Belgische Noordzee Lijnbelasting afhankelijk van productie- en belastingsverdeling in België internationale vermogensstromen injectie van offshore windenergie Overbelasting van transmissienet mogelijk tot diep in binnenland

15 Belgisch Hoogspanningsnet
150 kV 220 kV 400 kV

16 Belgische Elektriciteitscentrales

17 Overbelasting (‘congestion’) door off-shore windenergie

18 Invloed van DG op werking van het net
Netuitbating en netondersteuning Impact van DG op stationaire netspanning Spanningscontrole en reactieve-energiecompensatie Dynamisch gedrag bij netstoringen

19 Wat is ‘netondersteuning’?
Netondersteuning of ‘ancillary services’ = diensten die netgebruikers (producenten & verbruikers) leveren voor veilige betrouwbare stabiele (technisch en economisch) werking van het net Gecoördineerd door netbeheerder Omvat: spanningscontrole frequentiecontrole ‘black-start‘-mogelijkheid ondersteuning voor financiële transacties en economische dispatch

20 Enkele netbeheerders in Europa
met specifieke richtlijnen voor netondersteuning door gedecentraliseerde productie-eenheden Energinet.dk (Denemarken) E.ON (deel van Duitsland) Svk (Zweden) ESBNG (Ierland) Scottish Power (Schotland)

21 Impact van DG op stationaire spanning: theoretische beschouwing
ZGRID ~ Iload - IDG Iload IDG UPCC UGRID PCC meest eenvoudig netmodel ‘point of common coupling’ belasting aan PCC gedecentraliseerde generatie aan PCC spanning UPCC op point of common coupling:

22 Kortsluitvermogen aan PCC (vóór installatie DG)
ZGRID ~ Isc = UGRID / ZGRID UGRID kortsluiting PCC (point of common coupling) Kortsluitvermogen (1 - fasig): Gebruikelijke waarden in België (3-fasig): 2,5 GVA (70 kV); 1,3 GVA (30 kV); 500 MVA (15 kV); 400 MVA (10 kV)

23 Kortsluitvermogen - Netsterkte
groot kortsluitvermogen aan PCC (i.e. ZGRID klein) betekent dus: weinig impact van DG op UPCC met PDG = totaal vermogen aan gedecentraliseerde productie op PCC vuistregel: netsterkte moet > 50

24 Vuistregel: netsterkte > 50
Vuistregel gecombineerd met typische waardes voor kortsluitvermogens leidt tot: richtwaarden voor maximaal geïnstalleerd vermogen op radiale lijnen verbonden met PCC, afhankelijk van spanningsniveau 70 kV 30 kV 15 kV 10 kV 50 MW 26 MW 10 MW 8 MW d.i. bovengrens i.v.m. stationaire impact op spanningsprofiel veronderstelt voldoende stroombeschikbaarheid in alle leidingen

25 Spanningscontrole en reactieve-energiecompensatie
Spanningsval langs stroomvoerende geleider: R = lijnweerstand X = lijnreactantie P = getransporteerd actief vermogen Q = getransporteerd reactief vermogen R X P + j · Q U1 U2

26 Spanningscontrole d.m.v. reactieve energie
Openluchtlijnen (HS-netten): X >> R doeltreffende spanningscontrole d.m.v. reactieve energie Q Ondergrondse kabels (MS-en LS-netten) X ≈ R spanningscontrole d.m.v. reactieve energie minder doeltreffend veroorzaakt bovendien extra joule-verliezen in lijn Q-controle nuttig voor compensatie van reactieve belastingen Sommige netbeheerders schrijven bereik voor waarbinnen reactieve energie van DG-eenheden regelbaar moet zijn

27 Voorschriften i.v.m. reactieve-energiebereik
power factor (anno 2004) DK (Eltra&Elkraft, nu Energinet.dk) DE (E.ON) Schotland (voor 2003) Schotland (voor 2007) Schotland (na 2007) IE (ESBNG) Matevosyan J., Ackermann T., Söder L., ‘Comparison of International Regulations for Connection of Wind Turbines to the Network,’ Nordic Wind Power Conference (NWPC04), Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, March 1-2, 2004;

28 Gedrag van generatoren bij netstoringen (1)
voorbeeld: gedrag van windturbine met inductiegenerator, in geval van spanningsdip: spanningsdip (op t = 4s) ongecontroleerd versnellen van generator generator wordt losgekoppeld (‘tripped’) van het net door eigen beveiliging

29 Gedrag van generatoren bij netstoringen (2)
Vroeger: elke generator kon willekeurig vroeg uitschakelen bij netstoring om eigen veiligheid te waarborgen Nu: stijgend aandeel aan gedecentraliseerde productie: Netstoring (spanning, frequentie…) leidt tot uitschakeling van een generator Dit veroorzaakt nieuwe spanningsdip bij nabije generatoren… Cascade-effect met mogelijk groot verlies van productie Netbeheerder legt ‘ride-through capability’ op aan DG-eenheden, voor spannings- en frequentiestoringen

30 Ride-through bij spanningsdips (1)
vb. E.ON spanningsdip-curve (E.ON = een netbeheerder in Duitsland) oorspronkelijk: specifieke curve voor windturbines nu voor alle generatoren met lage bijdrage tot netkortsluitvermogen Elke spanningsdip boven rode lijn mag niet leiden tot uitschakeling van generator In grijze zone moet generator extra reactieve energie leveren voor spanningsondersteuning

31 Ride-through bij spanningsdips (2)
(anno 2004) SE (Svk) ( > 100 MW) SE (Svk) ( < 100 MW) Schotland IE (ESBNG) DE (E.ON) DK (Eltra) DK (Elkraft) Matevosyan J., Ackermann T., Söder L., ‘Comparison of International Regulations for Connection of Wind Turbines to the Network,’ Nordic Wind Power Conference (NWPC04), Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, March 1-2, 2004;

32 Ride-through by frequentie-storingen
Matevosyan J., Ackermann T., Söder L., ‘Comparison of International Regulations for Connection of Wind Turbines to the Network,’ Nordic Wind Power Conference (NWPC04), Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, March 1-2, 2004;

33 Invloed van DG op werking van het net
Netveiligheid Werking van beveiligingsrelais Foutstromen en detectie

34 Werking van beveiligingsrelais
Selectiviteit: Beveiliging dichts bij netfout reageert eerst Als beveiliging faalt: volgende beveiliging op hoger niveau reageert Wees waakzaam met gedecentraliseerde productie-installaties net

35 Foutstromen en detectie
Foutdetectie: Kortsluitstroom wordt gedetecteerd door alle beveiligingsrelais Met DG: kortsluitstroom wordt geleverd door lokale generatoren Kortsluiting wordt niet meer gedetecteerd door alle relais wordt foutstroom gedetecteerd? net

36 Invloed van DG op werking van het net
Power quality Overgangsverschijnselen bij in- en uitschakelingen Flikker en spanningsvariaties

37 Overgangsverschijnselen bij in- en uitschakelingen
Overgangsverschijnselen afhankelijk van generatortype Netgekoppelde inductiegenerator (WKK, windturbines): grote aanloopstromen machine werkt als motor tijdens aanloop: verbruikt energie Koppeling via omvormer (PV, wind, WKK…) overgangsverschijnselen kunnen gecontroleerd en beperkt worden

38 Voorbeeld: windturbine in distributienet van Haasrode
Onderzochte generatortypes voor windturbine: inductiegenerator met kooirotor (squirrel cage) dubbelgevoede inductiegenerator HS-post Heverlee 70kV – 10 kV Windturbine

39 Gesimuleerde windsnelheid en generatortoerental

40 Actief en reactief generatorvermogen

41 Spanning op knopen 408 en 2 overgangsverschijnsel na inschakeling

42 Flikker en snelle spanningsvariaties
Gedecentraliseerde productie (zon, wind, WKK) fluctueert en kan niet gepland worden Snelle vermogenfluctuaties veroorzaken ‘flikker’: kleine periodische spanningsvariaties (0,5 … 25 Hz) Typisch geval: ‘tower effect’ bij windturbines vóór de mast van windturbine is windsnelheid lager dip in generatorkoppel, telkens als turbineblad voor mast komt Flikker is zelden schadelijk voor apparatuur, maar veroorzaakt irritatie bij mens wanneer gloeilamp met flikkerende spanning gevoed wordt

43 Kwantisatie van flikker
Gestandaardiseerd: IEC Gewogen gemiddelde van laagfrekwente spanningscomponenten over 10 minuten (Pst) of 2 uur (Plt) Ponderatiefactoren gebaseerd op irritatiegevoel bij mensen spanningsfluctuatie van 8 – 9 Hz is meest storend

44 Flikker en DG Gebruikelijk flikkerniveau op middenspanning:
0.35 Pst 0.25 Plt Plt moet < 1 Impact van gedecentraliseerde generator op flikker wordt gemeten en berekend volgens standaardprocedures vb voor windturbines: IEC

45 Besluit Wat is bovengrens voor DG? geen éénduidig antwoord mogelijk
afhankelijk van: beschikbare netinfrastructuur gewenste power quality en betrouwbaarheid hoe streng zijn aansluitingsvoorwaarden door netbeheerder Richtwaarden: PDG < 2/3 van lastvermogen op één radiale lijn (voor minimalisatie netverliezen) netsterkte > 50 Plt < 1

46 Windenergie: basistypes windturbines

47 Geïnstalleerd windvermogen in Europa
Geïnstalleerd [MW] eind 2005 Niew [MW] 2006 Geïnstalleerd [MW] eind 2006 Duitsland 18.415 2.233 20.622 Spanje 10.028 1587 11.615 Denemarken 3.128 11 3.136 ... Nederland 1219 356 1.560 België 167 26 193 Europa (EU25) 40.500 7.588 48.027

48 Controle-opties voor wind turbines
Toerentalregeling vast toerental variabel toerental beperkt bereik variabel toerental breed bereik Controle op reactief vermogen Controle op bladhoek en actief vermogen vaste bladhoek verstelbare bladhoek (“pitch”) Kruien (“yaw”) sterk afhankelijk van type generator

49 Generatortypes voor windturbines (I)
inductiegenerator met kooirotor (bijna) constante toerental altijd inductieve belasting Turbine shaft & gearbox ~ wind Net generator

50 Turbine generator types (II)
dubbelgevoede inductiegenerator regelbaar toerental – beperkt bereik reactief vermogen is regelbaar Turbine Crowbar Converter shaft & gearbox ~ Net generator

51 Turbine generator types (III)
synchrone generator, “direct drive” variabel toerental – breed bereik → geen tandwielkast reactief vermogen is regelbaar Introduction Permanent Magnet OR Field Winding Turbine Converter ~ Grid SG

52 Dynamische modellering van windturbines voor ‘power system simulation software’
voor gebruik in software voor dynamische simulatie van elektriciteitsnetten (vb Eurostag, Digsilent...): simulatie van kortsluitingen, belastingsstrappen, schakelmanoeuvres... interactie windturbine-model en net-modelm wind speed injected current controlled wind turbine grid voltage at turbine node reference P and Q controlled grid parameters grid dispatch & control

53 Voorbeeld: dynamisch model van windturbine met dubbelgevoede inductiegenerator
uturb iturb vwind pref qref

54 Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen
stapsgewijze toename van windsnelheid spanningsstoring aan de turbinegenerator

55 Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: toename windsnelheid
input voor simulatie: stapsgewijs toenemende windsnelheid wind speed at hub height 20 10 400 600 800 1000 1200 1600 1800 2000 time [s]

56 Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: toename windsnelheid
turbine power for increasing wind speed power [p.u.] fixed speed & pitch control 1 fixed speed & no pitch control 0,5 variable speed & pitch control 400 600 800 1000 1200 1600 1800 2000 time [s]

57 Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: toename windsnelheid
turbine speed for increasing wind speed speed [p.u.] 1 constant speed turbine 0,5 variable speed turbine 400 600 800 1000 1200 1600 1800 2000 time [s]

58 Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: toename windsnelheid
zoom on turbine speed speed [p.u.] fixed speed: propeller speed 1,05 fixed speed: generator speed 1 variable speed: propeller speed 0.95 variable speed: generator speed 995 1000 1005 1010 1015 1020 1025 time [s]

59 Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: spanningsstoring
input voor simulatie: spanningsdip aan generator van winturbine voltage at turbine generator 1 0.8 0.6 0.4 0.2 1000 1001 1002 time [s]

60 Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: spanningsstoring
propeller and generator speed during voltage dip, for fixed-speed turbine with induction generator speed [p.u.] generator speed 1.2 propeller speed 1.1 1 0.9 1000 1005 1010 1015 time [s]

61 Detailed turbine model: simulation example II (3)
propeller and generator speed during voltage dip, for variable-speed turbine with doubly fed induction generator speed [p.u.] generator speed 1.2 1.1 1 propeller speed 0.9 1000 1005 1010 1015 time [s]

62 WINDENERGIE: OPBRENGSTEN EN WAARDE
DEEL II WINDENERGIE: OPBRENGSTEN EN WAARDE

63 Groenestroomcertificaten in Vlaanderen
Overheidsondersteuning voor productie van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen - Groenestroomcertificaten in Vlaanderen

64 Overheidsondersteuning voor hernieuwbare energieprojecten
Europese Richtlijn 2001/77/EC Richtlijn 2001/77/EG van het Europees Parlement en de Raad van 27 september 2001 betreffende de bevordering van elektriciteitsopwekking uit hernieuwbare energiebronnen op de interne elektriciteitsmarkt Legt doelstellingen vast voor elektriciteitsproductie uit hernieuwbare energiebronnen, per lidstaat Manier om doelstellingen te bereiken via ondersteuningsmechanismen: lidstaten hebben keuze

65 Doelstellingen elektriciteitsproductie uit hernieuwbare energiebronnen

66 Verschillende types overheidsondersteuning

67 Het systeem van groenestroomcertificaten (1)
Producenten van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen krijgen groenestroomcertificaten toegekend 1 groenestroomcertificaat per netto MWh elektriciteit uit HEB uitreiking gebeurt in Vlaanderen door VREG Leveranciers van elektriciteit hebben verplichting om een hoeveelheid groenestroomcertificaten in te leveren bij de VREG hoeveelheid = % van totale elektriciteitslevering boete per certificaat tekort: 125 euro

68 Het systeem van groenestroomcertificaten (2)
Leveranciers moeten voldoen aan verplichting door zelf groene elektriciteit te produceren door groenestroomcertificaten te kopen van andere producenten handel in certificaten gebeurt op vrije markt: marktprijs functie van boetewaarde (125 euro) aantal beschikbare certificaten op de markt Producenten hebben twee bronnen van inkomsten: verkoop van elektriciteit (aan gewone marktprijs) verkoop van groenestroomcertificaten handel in certificaten en elektriciteit is volledig apart

69 Groenestroomcertificaten: de quotumverplichting
Aantal in te leveren groenestroomcertificaten als % van totale elektriciteitslevering in dat jaar 0,80% in 2002 1,20% in 2003 2,00% in 2004 2,50% in 2005 3,00% in 2006 3,75% in 2007 4,50% in 2008 5,25% in 2009 6,00% in 2010

70 Het systeem van groenestroomcertificaten
Meer uitleg over groenestroomcertificaten actuele marktprijs van groenestroomcertificaten wordt het quotum gehaald? groenestroomcertificaten en garantie van oorsprong  groene stroom

71 De waarde van windenergie

72 De waarde van windenergie
vier referentiescenario’s (voor eigen berekeningen) capaciteitsfactor capaciteitskrediet enkele bedenkingen

73 Scenario I Gelijk verspreid

74 Scenario II Geconcentreerd

75 Scenario III Eén windpark in zee

76 Scenario IV Scen. II + Scen. III

77 capaciteitsfactor [%] equivalent aantal vollasturen
Voor afzonderlijke windturbines of voor grotere gebieden Belangrijke waardemeter voor projectontwikkelaars, wanneer inkomsten ~ totaal geproduceerde energie capaciteitsfactor = jaarlijkse energieproductie [MWh] geïnstalleerd vermogen [MW] x 8760 [h] Scenario capaciteitsfactor [%] equivalent aantal vollasturen I 20 1752 II 26 2278 III 31 2715 IV 29 2540

78 Capaciteitskrediet: definitie
betrouwbare capaciteit de hoeveelheid geïnstalleerde capaciteit in een energiesysteem die met een gegeven betrouwbaarheid ogenblikkelijk beschikbaar is om de totale energievraag te dekken; loss of load probability (LOLP) de waarschijnlijkheid dat de totale energievraag groter is dan de betrouwbare capaciteit; capaciteitskrediet van windenergie de hoeveelheid conventionele generators die kunnen vervangen worden door windturbines, zonder dat de LOLP toeneemt.

79 Capaciteitskrediet: berekening
Aanname: waarschijnlijkheid dat Totale energievraag > (betrouwbare capaciteit + D MW ) H( 0 ) = LOLP = 4 h/year Invloed van bijkomende generator, met productiewaarschijnlijkheid p( Pplant )

80 LOLP grafisch H (D ) LOLP [hour/year] l = 30 Qpeak = 13.5 GW 4
H(0) = 4 h/year LOLP 4 3 2 1 500 D (Demand not served) [MW]

81 Capaciteitskrediet grafisch
H (D ) & H2 (D) [hour/year] 4 3 2 1 500 D (Demand not served) [MW]

82 Capaciteitskrediet voor windenergie in België
Capacity credit [MW] 400 300 200 100 1000 2000 3000 4000 5000 Installed wind power [MW]

83 C-power offshore windpark (Thorntonbank)
op vinden we volgende gegevens terug: 300 MW geïnstalleerd vermogen (eindfase) 1000 GWh/jaar ton/jaar vermindering van CO2-emissies (in vergelijking met de milieuvriendelijkste gascentrales) hieruit leiden we af: capaciteitsfactor: 38% of 3333 equivalente vollastuen capaciteitskrediet ca. 100 MW CO2-uitstoot van milieuvriendelijkste gascentrales: 450 kg/MWh

84 Enkele bedenkingen bij capaciteitsfactor en capaciteitskrediet als waardemeter
Capaciteitsfactor en –krediet gebaseerd op jaartotalen Veronderstellen steady-state van elektriciteitssysteem MAAR Elektriciteit is moeilijk stockeerbaar Elektriciteitsproductie beantwoordt aan vraag a.d.h.v. base- load en peak-load centrales Rendement, CO2-emissies en kosten van elektriciteitsproductie zijn tijdsafhankelijk !!

85 Tijdsafhankelijkheid van elektriciteitsproductie
CO2-emissies kosten ... van elektriciteitsproductie wordt geïllustreerd door twee voorbeelden simulatie PROMIX (K.U.Leuven) BELPEX - energieprijs

86 Gemiddelde elektriciteitsproductie en CO2-emissie in België

87 BELPEX – elektriciteitsprijs/MWh

88 De echte waarde van windenergie
Hoofddoel moet zijn: niet: een zo groot mogelijk aandeel groene stroom (dit is een middel !!) maar wel maximum besparing op grondstoffen en emissies een juiste meting van de waarde van windenergie is quasi onmogelijk vereist perfecte kennis van totale elektriciteitssysteem inclusief marktwerking (nationaal en internationaal) energievraag andere bepalende parameters

89 Slotbeschouwingen Kan “creatieve marktwerking” windenergie opwaarderen? integratie van windenergie in elektriciteitsbeurzen (bvb BELPEX) controle van de elektrische verbruiken ifv ogenblikkelijk aanbod windenergie dag- en nachttarief voor eindverbruikers  “windtarief”? vele marktspelers zijn samen inventiever dan één overheid

90 Slotbeschouwingen Aspecten die waarde van windenergie beïnvloeden
besparing op fossiele brandstoffen reductie CO2-emissies maar ook... economisch exportproduct: windturbines + alle know-how tewerkstelling toerisme invloed op fauna en flora op land en zee